Forskare från North Carolina State University har upptäckt en teknik för att styra ljus med elektriska fält.

"Vår metod liknar den teknik som används för att tillhandahålla datorer, " säger Linyou Cao, en biträdande professor i materialvetenskap och ingenjörskonst vid NC State och motsvarande författare till en artikel om arbetet. "I datorer, ett elektriskt fält används för att slå på eller stänga av elektrisk ström, som motsvarar logik 1 och logik 0, basen för binär kod. Med denna nya upptäckt, ett ljus kan styras till att vara starkt eller svagt, spridd eller fokuserad, pekar en eller annan riktning med ett elektriskt fält. Vi tror att, precis som datorer har förändrat vårt sätt att tänka, denna nya teknik kommer sannolikt att förändra vårt sätt att titta på. Till exempel, det kan forma ett ljus till godtyckliga mönster, som kan hitta applikationer i glasögonfria virtuella verklighetslinser och projektorer, animationsfilmsindustrin eller kamouflage."

Att styra ljus med elektriska fält är svårt. Fotoner, ljusets grundläggande enheter, är neutrala – de har ingen laddning, så de svarar vanligtvis inte på elektriska fält. Istället, ljus kan styras genom att ställa in brytningsindex för material. Brytningsindex hänvisar till hur material reflekterar, överföra, sprida och absorbera ljus. Ju mer man kan kontrollera ett materials brytningsindex, desto mer kontroll har du över ljuset som interagerar med det materialet.

"Tyvärr, det är mycket svårt att ställa in brytningsindex med elektriska fält, " säger Cao.  "Tidigare tekniker kunde bara ändra indexet för synligt ljus med mellan 0,1 och 1 procent högst."

Cao och hans medarbetare har utvecklat en teknik som gör att de kan ändra brytningsindex för synligt ljus i vissa halvledarmaterial med 60 procent – ​​två storleksordningar bättre än tidigare resultat. Forskarna arbetade med en klass av atomärt tunna halvledarmaterial som kallas dikalkogenidmonoskikt av övergångsmetall. Specifikt, de arbetade med tunna filmer av molybdensulfid, volframsulfid och volframselenid.

"Vi ändrade brytningsindex genom att applicera laddning på tvådimensionella halvledarmaterial på samma sätt som man skulle applicera laddning på transistorer i ett datorchip, " säger Cao. "Med den här tekniken, vi uppnådde betydande, inställbara förändringar i indexet inom det röda området för det synliga spektrumet."

För närvarande, den nya tekniken gör det möjligt för forskare att justera brytningsindexet med valfritt belopp upp till 60 procent – ​​ju högre spänning som appliceras på materialet, desto större förändringsgrad i indexet. Och, eftersom forskarna använder samma teknik som finns i befintlig beräkningstransistorteknologi, dessa förändringar är dynamiska och kan göras miljarder gånger per sekund.

"Denna teknik kan ge möjligheter att kontrollera amplituden och fasen av ljus pixel för pixel på ett sätt lika snabbt som moderna datorer, " säger Yiling Yu, en nyutexaminerad från NC State och huvudförfattare till uppsatsen.

"Detta är bara ett första steg, " säger Cao. "Vi tror att vi kan optimera tekniken för att uppnå ännu större förändringar i brytningsindex. Och vi planerar också att undersöka om detta skulle kunna fungera vid andra våglängder i det visuella spektrumet."

Cao och hans team letar också efter industripartners för att utveckla nya applikationer för upptäckten.